Metoda oceny urządzenia wspomagającego dobór przełożenia we współczesnym samochodzie

(1)

Streszczenie

W pracy przedstawiono metod oceny urzdze wspomagajcych kierowc w do-borze przełoenia w układzie przeniesienia napdu w aspekcie ekologicznego i efektywnego wykorzystania silnika spalinowego podczas jazdy. Do bada wykorzy-stano samochód osobowy Toyota Yaris typ XP13M(a), które przeprowadzono na hamowni podwoziowej Maha LPS-3000. Uzyskane wyniki eksperymentalne potwier-dziły zasadne zastosowanie urzdzenia wspomagajcego dobór przełoe.

Słowa kluczowe: eco-driving, urządzenia wspomagające kierowcĊ, metoda Wprowadzenie

W Polsce od ubiegłego roku egzaminator podczas egzaminu praktycznego na kierowcĊ powin-nien oceniaü, czy kursant potrafi jeĨdziü ekologicznie i oszczĊdnie. W praktyce oznacza to, Īe kursant operuje pedałem gazu rozsądnie i w odpowiednim momencie zmienia biegi nie jadąc na wysokich obrotach silnika spalinowego.

W wielu krajach praktykowane jest dokształcanie kierowców w zakresie eko-jazdy (eco-driving) [6]. Ze wzglĊdu na róĪne metody nauczania, styl eko-jazdy moĪe spowodowaü obniĪenie do 20% zuĪycia paliwa [1]. Badania zachowaĔ kierowców dotyczące zmiany biegów miĊdzy eko-logiczną jazdą a normalną, zostały potwierdzone z wynikiem 60% jako eko-jazdĊ [5].

Współczesne samochody są wyposaĪone w urządzenia ułatwiające i wspomagające kierowa-niem pojazdu. Jednym z wielu urządzeĔ jest system doboru przełoĪeĔ w układzie przeniesienia napĊdu. Urządzenia te mają za zadanie m.in. wspomagaü kierowcĊ na efektywne i ekologiczne uĪyt-kowanie pojazdu.

Na emisjĊ substancji szkodliwych w spalinach i zuĪycie paliwa przez pojazd ma wpływu stylu jazdy kierowcy [3]. Emisja toksycznoĞci spalin samochodów osobowych w rzeczywistych warun-kach ruchu w zaleĪy od wybranego przełoĪenia skrzyni biegów w danych warunwarun-kach jazdy [2].

Ostatnie udoskonalenia technologii komunikacyjnych prowadzi do szeregu innowacji w zuĪy-ciu energii pojazdów drogowych. System pomocy – jazda ekologiczna oparty jest na Android i ma na celu poprawĊ bezpieczeĔstwa oraz efektywnoĞci silników spalinowych samochodów osobowych [4].

Firma Toyota w swoich pojazdach stosujĊ system wspomagający dobór przełoĪeĔ w układzie przeniesienia napĊdu.

(2)

1. Metoda badawcza i aparatura pomiarowa

Podczas badaĔ załoĪono, Īe samochód osobowy porusza siĊ ruchem prostoliniowym na równej nawierzchni o pochyleniu drogi 0% (poziomej) lub 2% (jazda na wzniesienie). SymulacjĊ jazdy po drodze samochodu Toyota Yaris przeprowadzono na hamowni podwoziowej Maha LPS-3000 (rys. 1). Masa samochodu przygotowanego do prób eksperymentalnych wynosiła 1050 kg. CiĞnienie w ogumieniu 195/50R16 ustalomo na poziomie wartoĞci nominalnych. Przed rozpoczĊciem pomia-rów dokonano wstĊpne próby jazdy samochodu w celu ustalenia siĊ stanu silnika spalinowego, układu przeniesienia napĊdu i opon, do zbliĪonych warunków tych podzespołów podczas jazdy.

Rysunek 1. Widok ogólny samochodu Toyota Yaris uytego w badaniach na hamowni podwoziowej ħródło: opracowanie własne.

Układ napedowy tego pojazdu jest umieszczony poprzecznie do osi podłuĪnej i napĊdza koła przednie. Podzespoły tego układu, to; czterocylindrowy, rzĊdowy silnik benzynowy 1NR-FE o po-jemnoĞci 1329 cm3 i maksymalnej mocy 73 kW przy 6000 rpm,; mechaniczna 6-przełoĪeniowa skrzynka biegów manualna EC62 (rys. 2), w której zastosowano układ wskaĨnika zalecanego prze-łoĪenia skrzyni biegów. Biegi do przodu to koła zĊbate stale zazĊbione, a poszczególne przeprze-łoĪenia są realizowane za pomocą mechanizmu synchronizującego i dla poszczególnych biegów wynoszą: i1 = 3,538; i2 = 1,913; i3 = 1,392; i4 = 1,029; i5 = 0,818 i i6 = 0,700; przełoĪenie przekładni głównej ig = 4,214.

Hamownia umoĪliwia obciąĪenie układu napĊdowego samochodu w funkcji prĊdkoĞci ruchu odzwierciedlając jazdĊ po drodze w róĪnych warunkach. Do badaĔ przyjĊto symulacjĊ obciąĪenia na czterech biegach przy prĊdkoĞci o wartoĞci 90 kmh-1_{dla kaĪdego (wg wskazania} prĊdkoĞciomie-rza na hamowni). Sumaryczna siła napĊdowa F na kołach przednich jest okreĞlana zaleĪnoĞcią:

(3)

α

ρ

sin

5 ,

0 ⋅

⋅

2

+

⋅

+

⋅

=

+

=

F

m

g

f

c

A

v

m

g

F

r w g x gdzie

Fr – siła oporów toczenia [N],

Fw – siła oporów powietrza [N],

Fg – siła oporów pochylenia [N],

m – masa samochodu [kg], g – przyĞpieszenie ziemskie [ms-2_], f – współczynnik oporów ruchu,

ρ – gĊstoĞü powietrza [kgm-3_],, cx – współczynnik aerodynamiczny,

A – powierzchnia czołowa samochodu [m2_], v – prĊdkoĞü jazdy [ms-1_],

α – pochylenie drogi.

Rysunek 2. Widok mechanicznej, manualnej, 6-przełoeniow skrzynka biegów EC62 samochodu Toyota Yaris

ħródło: materiały Toyoty.

Po okreĞleniu poszczególnych składowych siły napĊdowej naleĪy do programu komputerowego hamowni wprowadziü odpowiednie współczynniki i symulacja jazdy odbywa siĊ w sposób genera-toryczny i mogenera-toryczny według opracowanego modelu (rys 3).

Pomiary na hamowni umoĪliwiają rejestracjĊ w funkcji czasu z czĊstotliwoĞcią około 10 Hz nastĊpujących wartoĞci wielkoĞci: prĊdkoĞci jazdy samochodu v [kmh-1_{], prĊdkoĞci obrotowej} sil-nika n (dane przez złącze OBDII) [rpm], siły napĊdowej na kołach F [N] i mocy na kołach P [kW].

(4)

Rysunek 3. Widok z monitora hamowni Maha przygotowanej do symulacji oporów jazdy samochodu

ħródło: materiały Maha.

2. Wyniki bada eksperymentalnych

Po przygotowaniu samochodu do badaĔ na hamowni, przeprowadzono pomiary symulacyjnego obciąĪenia samochodu podczas jazdy.

Przykładowe przebiegi zarejestrowanych wartoĞci mierzonych wielkoĞci przedstawiono odpo-wiednio na rysunkach 4 – 7. Podczas jazdy symulacyjnej obciąĪenie samochodu odpowiadało prĊdkoĞci 90 kmh-1_{na poziomej drodze (rys 4 i 6), o pochyleniu 2% (rys. 5 i 7).}

Po rozpĊdzeniu samochodu na trzecim biegu do zadanej prĊdkoĞci na drodze poziomej (rys. 4) i utrzymaniu jej przez odpowiedni czas (przedział czasu 121 – 139 sekund), był niezbĊdny w celu okreĞlenia zuĪycia paliwa przez silnik i wyĞwietlenie go na monitorze pokładowym samochodu (rys. 8). NastĊpnie na biegu czwartym osiągniĊto zadaną prĊdkoĞü jazdy (przedział czasu 204 – 219 sekunda) i okreĞlono zuĪycie paliwa podobnie jak na biegu trzecim. Na biegu piątym (przedział czasu 281 – 294 sekunda) i biegu szóstym (przedział czasu 344 – 357 sekunda) postąpiono identycznie. Na rysunku 6 przedstawiono przebiegi sił i mocy w przedziałach czasowych podanych powyĪej.

Przy zadanej prĊdkoĞci jazdy 90 kmh-1_{na drodze o nachyleniu 2%, odpowiednie przedziały} czasowe na poszczególnych biegach są zawarte (rys. 5 i 7): trzeci – 57 –78s; czwarty – 94–107s; piąty – 134 –157s i szósty – 195 –203s.

(5)

Rysunek 4. Przykładowe zarejestrowane prdkoci jazdy v i prdkoci obrotowej silnika n odpowiednio na poszczególnych biegach podczas jazdy symulacyjnej na poziomej drodze ħródło: opracowanie własne.

Rysunek 5. Przykładowe zarejestrowane prdkoci jazdy v i prdkoci obrotowej silnika n odpowiednio na poszczególnych biegach podczas jazdy symulacyjnej na drodze o pochyleniu 2% ħródło: opracowanie własne.

(6)

Rysunek 6. Przykładowe zarejestrowane siły F i moce napdowe na kołach P odpowiednio na poszczególnych biegach podczas jazdy symulacyjnej na poziomej drodze ħródło: opracowanie własne.

Rysunek 7. Przykładowe zarejestrowane siły F i moce napdowe na kołach P odpowiednio na poszczególnych biegach podczas jazdy symulacyjnej drodze o pochyleni 2% ħródło: opracowanie własne.

(7)

Rysunek 8. Przykładowe zarejestrowane zuycie paliwa na poszczególnych biegach podczas jazdy symulacyjnej na pochyłej drodze

ħródło: opracowanie własne.

ĝrednie wartoĞci poszczególnych mierzonych wielkoĞci na dwóch profilach drogi przedsta-wiono w tabeli 1.

Tabela 1. rednie wartoci poszczególnych mierzonych wielkoci na dwóch profilach

Droga Nr biegu v [kmh-1_] n [rpm] F [N] P [kW] B [L/100km] P o zi o m a 3 89,8 4798 334 8,4 10,2 4 90,9 3587 375 9,8 6,4 5 90,5 2835 381 10,0 5,8 6 90,2 2416 309 7,8 5,4 P o ch y -lo n a 2 % 3 91,1 4863 556 14,1 10,3 4 90,5 3570 524 13,2 8,1 5 90,1 2821 548 13,9 7,4 6 90,0 2410 537 13,5 7,2

Na rysunku 9 przedstawiono widok tablicy wskaĨników samochodu Toyota Yarys, po lewej stronie – prĊdkoĞciomierz obrotów silnika a w jego dolnej lewej czĊĞci Ğwiecącą diodĊ w postaci trójkąta z wierzchołkiem skierowanym do góry i podpisem „SHIFT”, poĞrodku – prĊdkoĞciomierz jazdy z zegarem i licznikiem przebytych kilometrów, po prawej stronie – wskaĨnik iloĞci paliwa w zbiorniku. Parametry wyĞwietlane na wskaĨnikach tj., obroty silnika i prĊdkoĞü jazdy oraz dioda SHIFT, informują kierowcĊ o potrzebie zmiany przełoĪenia na bieg wyĪszy, w przedstawionej sy-tuacji jazda odbywała siĊ na biegu piątym.

(8)

Rysunek 9. Widok tablicy wskaników samochodu Toyota Yaris podczas badania na hamowni podwoziowej Maha LPS-3000

Po przeprowadzeniu pomiarów symulacyjnego obciąĪenia samochodu podczas jazdy ostatnim badaniem na hamowni podwoziowej był pomiar mocy silnika spalinowego 1NR-FE (rys. 10).

Porównując uzyskane wartoĞci maksymalnej mocy 68,7 kW przy 6045 rpm w stosunku do da-nych producenta to moĪna stwierdziü, Īe uzyskano mniejszą moc o około 6%. Maksymalny moment obrotowy silnika wynosi 116,1 Nm przy 4105 rpm. Analizując przebiegi parametrów tego silnika w całym zakresie prĊdkoĞci obrotowej stwierdzono, Īe powyĪej prĊdkoĞci 2800 rpm wartoĞü mo-mentu obrotowego wynosi 108 Nm (93% momo-mentu maksymalnego) i utrzymuje siĊ powyĪej podanej wartoĞci do prĊdkoĞci obrotowej mocy maksymalnej tj. 6045 rpm.

(9)

Rysunek 10. Charakterystyka prdkociowa silnika spalinowego 1NR-FE ħródło: opracowanie własne.

3. Podsumowanie

W artykule przedstawiono metodĊ oceny urządzeĔ wspomagających kierowcĊ w doborze prze-łoĪenia w układzie przeniesienia napĊdu w aspekcie ekologicznego i efektywnego wykorzystania silnika spalinowego podczas jazdy. Opracowana metoda i otrzymane wyniki eksperymentalne po-twierdziły zasadne zastosowanie urządzenia wspomagającego dobór przełoĪeĔ. Na hamowni podwoziowej moĪna w bezpieczny i oddający istotĊ działania zweryfikowaü urządzenie wspoma-gace dobór przełoĪeĔ w układzie przeniesienia napĊdu samochodu osobowego w zakresie eko-jazdy.

(10)

PodziĊkowanie

Autorzy dziĊkują firmie MIR-WIT TOYOTA OLSZTYN za uĪyczenie samochodu Toyota Yarys do przeprowadzenia badaĔ.

Bibliografia

[1] Andrieu, C., Pierre, G.S., Evaluation of ecodriving performances and teaching method: Comparing training and simple advice (Conference Paper), European Journal of Transport and Infrastructure Research Volume 14, Issue 3, 2014, Pages 201–213.

[2] Merkisz, J., Andrzejewski, M., Pielecha, J., The impact of the selected gear ratio on carbon dioxide emissions by vehicle during its acceleration. Combustion Engines. 2013, 154(3), 324–331. ISSN 0138-0346.

[3] Merkisz, J., Andrzejewski, M., Pielecha, J., The effect of applying the eco-driving rules on the exhaust emissions. Combustion Engines. 2013, 155(4), 66–74. ISSN 2300-9896. [4] Orfila, O., Pierre, G., S., Messias, M., An android based ecodriving assistance system to

improve safety and efficiency of internal combustion engine passenger cars. Transportation Research Part C 58 (2015) 772–782.

[5] Orfila, O., Saint Pierre, G., Andrieu, C. Gear shifting behavior model for ecodriving simula-tions based on experimental data. Proced. – Soc. Behav. Sci., 54 (2012), pp. 341–348. [6] Jeffreys, I., et al., Evaluation of eco-driving training for vehicle fuel use and emission

reduction: A case study in Australia. Transport. Res. Part D (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.trd.2015.12.017, dostĊp [2016.05.13].

(11)

ASSESSMENT METHOD OF THE GEAR SELECTION ASSISTANCE UNIT IN THE MODERN CAR

Summary

The paper presents a method for assessing the devices supporting the driver in the selection of gear in terms of ecological and effective use of the engine while driv-ing. The study was contucted using car Toyota Yaris type XP13M (a) on a chassis dynamometer Maha LPS-3000. Obtained results confirmed the reasonableness of the usage of gear seletcion assistance units.

Keywords: eco-driving, driver assistance device, method

Bronisław Andrzej Kolator Andrzej Olszewski, Michał Janulin, Jarosław Gonera,

Katedra Budowy, Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Wydział Nauk Technicznych

Uniwersystet WarmiĔsko-Mazurski w Olsztynie e-mail: kolator@uwm.edu.pl

andrzej.olszewski@uwm.edu.pl michal.janulin@uwm.edu.pl jaroslaw.gonera@uwm.edu.pl